大专毕业论文基于Protel的PCB版图设计与抗干扰技术的研究.docx
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大专毕业论文基于Protel的PCB版图设计与抗干扰技术的研究
【摘要】
Protel是Altium公司推出的电路辅助设计系统,是第一个将所有的设计工具集
成于一身的板级设计系统。
在原理图已完成的基础上利用Protel进行PCB设计一
般遵循：
确定外形、布局、布线、规则检查等几个步骤。
分析了布局、布线的基本
原则,探讨了在整个PCB设计过程中的一些经验和技巧。
原理图绘好后,接着是设计
印制电路板,简称PCB.进行PCB设计一般遵循:
规划电路板、装入元器件封装库及网络表、元器件的布局、布线等步骤PCB在整个电子产品中，扮演了整合连接总其成所有功能的角色。
本文通过Protel软件和几个典型的例子探讨了整个PCB设计过程,为正确高效率设计印制电路板提供了有效的途径，分析了各种干扰产生的途径和原因，介绍了PCB设计中的一些特殊规则及抗干扰设计的要求。
【关键词】：
印刷电路板、电路辅助设计、规则、技巧、布线技术、电磁干扰、PCBPROTEL
ABSTRACT
AltiumLaunchesProtelarecircuit-aideddesignsystem,isthefirstofallthedesigntoolsetIntotheboardsinasystem-leveldesign.IntheschematicdiagramhasbeencompletedbasedontheuseofProtelforPCBdesign1Asfollowed:
identificationofshape,layout,wiring,afewsteps,suchasrulechecking.Analysisofthelayout,thebasicwiring.TheprincipleoftheentirePCBdesignprocessinsomeoftheexperienceandskills.Afterschematicdrawing,followedbydesignPrintedcircuitboard,orPCB.ForPCBdesigningeneralfollow:
Planningcircuitboards,componentsintothepackagedatabaseandnetworktables,thelayoutofcomponents,wiringandotherstepsintheentirePCBElectronicsproducts,playedatotalintegratedintoallthefeaturesoftheirrole.
Inthispaper,ProtelDXPsoftwareandafewtypicalexamplesoftheentirePCBdesignprocess,inordertocorrectandefficientdesignofprintedcircuitboardprovidesaneffectivewaytoanalyzeavarietyofinterferencegeneratedbythewaysandreasons,theintroductionofthePCBdesignsomespecialrulesandanti-jammingdesign.
【KEYWORD】:
Printedcircuitboard、designrules、auxiliarycircuit、wiringtechnologyskills、EMIPCB、PROTELsoftware
目录
一、引言1页
二、软件介绍1页
三、干扰的来源和传播途径4页
四、PCB板图设计的一般原则及注意事项.5页
五、抑制干扰源的常用措施6页
六、总结8页
七、参考文献8页
八、致谢9页
一、引言
我国正处在以经济建设为中心和改革开放的大好形势下电子工业的年增长率会超过20%，印刷电路板工业依附整个电子工业也会随势而涨而且超过20%的增长速度，世界电子工业领域发的技术革命和产业结构变化正为印刷电路的发展带来新的机遇和挑战。
印刷电路随着电子设备的小型化、数字化、高频化和多功能化发展作为电子设备中电气的互连件。
PCB中的金属导线已不只是电流流通与否的问题而是作为信号传输线的作用，也就是说对高频信号和高速数字信号的传输用PCB的电气测试不仅要测量电路或网络的通断和短路等是否符合要求而且还应该测量特性阻抗值是否在规定的合格范围内只有这两方向都合格了印刷板才符合要求，印刷电路板提供的电路性能必须能够使信号传输过程中不发生反射现象信号保持完整降低传输损耗起到匹配阻抗的作用这样才能得到完整可靠精确无干扰、噪音的传输信号。
论述利用Protel软件设计印刷电路板的技术,其中包括电路原理图设计、印刷电路板PCB的生成以及CAM文件输出.指出了Protel软件最新所具有的一些优点.分析了在原理图设计和印刷电路板设计过程中会出现的问题，根据实际电路设计给出了如何避免和解决这些问题的方法,为正确高效率设计印刷电路板提供了有效的途径。
随着电子技术的飞速发展，PCB的密度越来越高，电子系统的工作频率也越来越高；模拟电路、数字电路、大规模的集成电路和大功率电路的混合使用以及电子设备的工作带宽越来越宽，灵敏度越来越高：
并随着网路技术的应用，连接各设备之间的电缆和空间联网也越来越复杂。
实践证明，当我们在使用PROTEL制板时，尽管制定了相关的设计规则及约束条件，在进行自动布局和自动布线时，仍然出现印刷电路板设计不当，并对系统的可靠性产生不良影响。
因此，要使电子系统获得最佳性能，在用PROTEL制板时，必须采用自动与手动相结合。
并应遵循设计的一般及特殊规则。
二、软件介绍
（一）Protel99se软件介绍
Protel是目前国内最流行的通用EDA软件，它是将电路原理图设计、PCB板图设计、电路仿真和PLD设计等多个实用工具软件组合后构成的EDA工作平台，是第一个将EDA软件设计成基于Windows的普及型产品。
Protel98率先集成了软件界面，Protel99增加了仿真功能和PLD设计和信号完整性分析。
在此基础上，Protel99SE又增加了一些新的功能，用户使用更加方便灵活。
（二）利用Protel99se设计PCB的流程
印制电路板的设计是Protel99se的另外一个重要部分。
在这个过程中，可以借助Protel99se提供的强大功能实现电路板的版面设计，完成高难度的布线工作。
在PCB设计中，一般采用双面板或多面板，每一层的功能区分都很明确。
在多层结构中零件的封装有两种情况，一种是针式封装，即焊点的导孔是贯穿整个电路板的；另一种是STM封装，其焊点只限于表面层；元器件的跨距是指元器件成形后的端子之间的距离。
利用Protel99se设计PCB的流程如图1所示。
图1Protel99se设计PCB的流程
1．PCB设计前的准备工作
绘制原理图，然后生成网络表。
当然，如果是一个非常简单的电路图，可以直接进行PCB的设计。
2．进入PCB设计系统
根据个人习惯设置设计系统的环境参数，如格点的大小和类型、光标的大小和类型等，一般来说可以采用系统的默认值。
3．设置电路板的有关参数对电路板的大小、电路板的层数等参数进行设置。
4．引入生成的网络表
网络表引入时，需要对电路原理图设计中的错误进行检查和修正。
特别注意的是在电路原理图设计时一般不会涉及零件封装的问题，但PCB设计的时候，零件封装是必不可少的。
5．布置各零件封装的位置
可利用系统的自动布局功能，但自动布局功能并不太完善，需要进行手工调整各零件封装的位置。
6．进行布线规则设置
布线规则包括对安全距离、导线形式等内容进行设置，这是进行自动布线的前提。
7．进行自动布线
Protel99se系统的自动布线功能比较完善，一般的电路图都是可以布完的；但很多走线的布置并不令人满意，需要进行手工调整。
8．通过打印机输出或硬拷贝保存
完成电路板的布线后，保存完成的电路线路图文件，然后利用各种图形输出设备，如打印机或绘图仪输出电路板的布线图。
三、干扰技术的来源和传播途径
干扰的来源是多方面的。
对于控制系统来说，干扰既可能来自外部，也可能来自系统内部。
外部干扰与系统结构无关，而是由系统所处的环境因素决定；内部干扰则与系统结构、制造工艺等有关。
外部干扰主要是空间电磁场的影响，包括输电线路和电气设备发出的电磁场，通信广播发射的无线电波，雷电、火花放电、弧光放电和辉光放电等放电现象等。
内部干扰主要由分布电容、分布电感等分布参数所引起的耦合感应，电磁场辐射感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差以及寄生振荡引起的干扰；另外元器件产生的噪声也属于内部干扰。
尽管外部干扰和内部干扰产生的原因不同，但是它们的传播途径和影响控制系统的机理基本相同，因而消除或抑制它们的方法和措施没有本质区别。
一、干扰传播途径
在控制设备的工作现场往往有许多强电设备，它们的启动和工作过程将产生干扰电磁场，另外还有来自于空间传播的电磁波和雷电的干扰，以及高压输电线周围交变磁场的影响等。
干扰的传播途径主要有静电耦合、磁场耦合和公共阻抗耦合等；
1．静电耦合
静电耦合是电场通过电容耦合途径窜入其他线路的。
在两根导线之间会构成电容，印刷电路板上各印刷线路之间，以及变压器各绕组之间也都会构成电容。
既然存在分布电容，就可以为频率为O的干扰信号提供阻抗为1／jwc的通道，使得电场干扰得以窜人。
图7．1为两平行导体之间的电容耦合及其等效电路。
图中Cl：
是导体1和导体2之间的分布电容的总和，Cl，和C2g，分别是导体1和导体2的对地总电容，R是导体2的对地电阻。
如果导体1上有干扰电压V1存在，导体2作为接受干扰的导体，则导体2上出现的干扰电压y。
为
当导体2对地电阻只很小，使得jwR（C12+C2g）《1时，
在这种情况下，干扰电压Vn由电容cl2和C2g，的分压关系及V1确定，其幅值比前一种情况大得多。
2．磁场耦合
空间磁场耦合是通过导体之间的互感进行的。
在任何载流导体周围空间中都会产生磁场，而交变磁场则引起其周围的闭合回路中产生感应电动势。
在设备内部，线圈或变压器的漏磁会引起干扰；在设备外部，当两导体平行时，也会产生干扰，如图7．2所示。
干扰电压是由于感应电磁场引起的耦合，其大小为
Vn=iwMI1其中w为交变感应电磁场的角频率，M为两导体之间的互感，Ll为导体1中的电流。
电磁场辐射也会造成干扰。
当高频电流流过导体时，会在该导体周围产生向空间传播的电磁波。
此时整个空间充满了从长波到微波范围的电磁波，一般称为无线电干扰。
这种干扰极易被电源线和长信号线接收后传播到控制系统中。
另外，长信号线具有天线效应，既能接收干扰信号，同时也能辐射干扰信号。
3．公共阻抗耦合
公共阻抗耦合发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路。
在控制系统中，通常总是用母线将电源引入，又将返回信号引入地线。
在实际系统中，母线不可能是理想的（电阻等于零，电感等于零，电容等于无限大）导体，实际上它也有一定的电阻和电感。
当流过较大的信号电流时，它的作用就像一根天线，会对外辐射信号。
另外，母线之间、母线与其他信号线之间还有分布电容，干扰信号可以通过这个电容耦合过来。
印刷电路板上的“地”线实际上是公共回流线，它也具有一定的电阻和电感，当流过地线的电流发生变化时，各个电路就通过它产生耦合，如图7．3所示。
如果各电路之间有公共电源线，各独立回路回流通过公共回流线电阻Rni和R。
（i，j=1，2，…，n）产生压降
四、PCB板图设计的一般原则以及注意事项
（一）印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。
印刷电路板与外接组件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。
但有时也设计成插座形式。
即：
在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。
对于安装在印刷电路板上的较大的组件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。
（二）布线图设计的基本方法：
首先需要对所选用组件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。
各部件位置定出后，就是各部件的联机，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。
最原始的是手工排列布图。
这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成，这在没有其它绘图设备时也可以，这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。
计算机辅助制图，现在有多种绘图软件，功能各异，但总的说来，绘制、修改较方便，并且可以存盘贮存和打印。
接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理。
（三）印刷电路板中各组件之间的接线安排方式如下：
1.印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。
2.电阻、二极管、管状电容器等组件有“立式”，“卧式”两种安装方式。
立式指的是组件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是组件体平行并紧贴于电路板安装，焊接，其优点是组件安装的机械强度较好。
这两种不同的安装组件，印刷电路板上的组件孔距是不一样的。
3.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激.
4.总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便翻来复去乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。
特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
5.强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。
6.阻抗高的走线尽量短，阻抗低的走线可长一些，因为阻抗高的走线容易发笛和吸收信号，引起电路不稳定。
电源线、地线、无反馈组件的基极走线、发射极引线等均属低阻抗走线，射极跟随器的基极走线、收录机两个声道的地线必须分开，各自成一路，一直到功效末端再合起来，如两路地线连来连去，极易产生串音，使分离度下降。
（四）注意事项：
1．布线方向：
从焊接面看，组件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
2．各组件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
3．电阻，二极管的放置方式：
分为平放与竖放两种：
（1）平放：
当电路组件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；对于1/4W以下的电阻平放时,两个焊盘间的距离一般取4/10英寸，1/2W的电阻平放时,两焊盘的间距一般取5/10英寸；二极管平放时，1N400X系列整流管,一般取3/10英寸;1N540X系列整流管,一般取4～5/10英寸。
（2）竖放：
当电路组件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放，竖放时两个焊盘的间距一般取1～2/10英寸。
4．电位器：
IC座的放置原则
（1）电位器：
在稳压器中用来调节输出电压，故设计电位器应满中顺时针调节时输出电压升高，反时针调节器节时输出电压降低；在可调恒流充电器中电位器用来调节充电电流折大小，设计电位器时应满中顺时针调节时，电流增大。
电位器安放位轩应当满中整机结构安装及面板布局的要求，因此应尽可能放轩在板的边缘，旋转柄朝外。
（2）IC座：
设计印刷板图时，在使用IC座的场合下，一定要特别注意IC座上定位槽放置的方位是否正确，并注意各个IC脚位是否正确，例如第1脚只能位于IC座的右下角线或者左上角，而且紧靠定位槽（从焊接面看）。
5．进出接线端布置
（1）相关联的两引线端不要距离太大，一般为2～3/10英寸左右较合适。
（2）进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
6．设计布线图时要注意管脚排列顺序，组件脚间距要合理。
7．在保证电路性能要求的前提下，设计时应力求走线合理，少用外接跨线，并按一定顺充要求走线，力求直观，便于安装，高度和检修。
8．设计布线图时走线尽量少拐弯，力求线条简单明了。
9．布线条宽窄和线条间距要适中，电容器两焊盘间距应尽可能与电容引线脚的间距相符；
10．设计应按一定顺序方向进行，例如可以由左往右和由上而下的顺序进行。
五、抑制干扰源的常用措施
（一）继电器线圈增加续流二极管，消除断开线圈时产生的反电动势干扰。
仅加续流二极管会使继电器的断开时间滞后，增加稳压二极管后继电器在单位时间内可动作更多的次数。
（二）在继电器接点两端并接火花抑制电路（一般是RC串联电路，电阻一般选几K到几十K，电容选0.01uF），减小电火花影响。
（三）给电机加滤波电路，注意电容、电感引线要尽量短。
（四）电路板上每个IC要并接一个0.01μF～0.1μF高频电容，以减小IC对电源的影响。
注意高频电容的布线，连线应靠近电源端并尽量粗短，否则，等于增大了电容的等效串联电阻，会影响滤波效果。
（五）布线时避免90度折线，减少高频噪声发射。
（六）可控硅两端并接RC抑制电路，减小可控硅产生的噪声（这个噪声严重时可能会把可控硅击穿的）。
（七）印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，以下从四个方面讨论PCB抗干扰设计的措施。
1.电源线设计
根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
2.地线设计
印刷电路板上，电源线和地线最重要。
克服电磁干扰，最主要的手段就是接地。
对于双面板，地线布置特别讲究，通过采用单点接地法，电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一个接点，地一个接点。
印刷线路板上，要有多个返回地线，并都会聚到回电源的那个接点上，就是所谓单点接地。
所谓模拟地、数字地、大功率器件地开分，是指布线分开，而最后都汇集到这个接地点上来。
与印刷线路板以外的信号相连时，通常采用屏蔽电缆。
对于高频和数字信号，屏蔽电缆两端都接地。
低频模拟信号用的屏蔽电缆，一端接地为好。
如能将接地和屏蔽正确结合起来使用，可解决大部分干扰问题。
电子设备中地线结构大致有系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地（逻辑地）和模拟地等。
地线设计的原则是：
（1）数字地与模拟地分开。
若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽量分开，分别与电源端地线相连，并尽可能加大线性电路的接地面积。
低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。
高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。
（2）接地线应尽量加粗。
若接地线很细，则接地电位随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。
因此应将接地线加粗，使它能通过三倍于印制板上的允许电流。
如有可能，接地线宽度应在2～3mm以上。
（3）正确选择单点接地与多点接地。
在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。
当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。
当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
（4）将接地线构成闭环路。
设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。
其原因在于：
印制电路板上的很多集成电路元件，尤其遇到耗电多的元件时，因受接地线粗细的限制，会在地结上产生较大的电位差，引起抗噪声能力下降，若将接地构成环路，则会缩小电位差值，提高电子设备的抗噪声能力。
3.特殊器件的处理
（1）在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时，操作它们时均会产生较大火花放电，必须采用RC电路来吸收放电电流。
一般R取1～2KΩ，C取2.2～47uF。
（2）CMOS的输入阻抗很高，易受感应，因此在使用时对不用端要接地或接正电源。
（3）选用外时钟频率低的微控制器可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。
为减小信号传输中的畸变，信号在印刷板上传输，其延迟时间不应大于所用器件的标称延迟时间。
（4）注意印刷线板与元器件的高频特性。
在高频情况下，印刷线路板上的引线、过孔、电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略。
电阻对高频信号产生的反射，会对引线的分布电容起作用，当引线长度大于噪声频率相应波长的1/20时，就产生天线效应，噪声通过引线向外发射。
四、总结
印制线路板是电子产品最基本的部件，也是绝大部分电子元器件的载体。
当一个产品的印制线路板设计完成后，可以说其核心电路的骚扰和抗扰特性就基本已经确定下来了，要想再提高其电磁兼容特性，就只能通过接口电路的滤波和外壳的屏蔽来“围追堵截”了，这样不但大大增加了产品的后续成本，也增加了产品的复杂程度，降低了产品的可靠性。
可以说一个好的印制线路板可以解决大部分的电磁骚扰问题，只要同时在接口电路排板时增加适当瞬态抑制器件和滤波电路就可以同时解决大部分抗扰度问题。
印制线路板的抗干扰设计是一个技巧性很强的工作，同时，也需要大量的经验积累。
一个抗干扰设计良好的印制板是一个完美的“工艺品”，是无法抄袭和照搬的。
但这并不是说我们的印制线路板就不必考虑产品的抗干扰性能，只有通过外围电路和外壳进行补救了。
一般而言，使用以上的基本抗干扰措施，可消除印制板90%左右的常见干扰。
由于硬件的可靠性是设备的复杂性函数，要消除一些特殊的、小概率的干扰，就要采用特殊的、更复杂的硬件抗干扰电路。
但过多地采用硬件抗干扰措施，会明显提高产品的常规成本，且硬件数量的增加，还会产生新的干扰，导致系统的可靠性下降。
所以应根据设计条件和目标要求，合理采用一些硬件抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。
若我们注意平时的经验和技术的积累和总结，最终我们也可以成为PCB“工艺品”设计大师，设计出自己的PCB“工艺极品”。
五、参考文献
1.周良权。
模拟电子技术基础【M】.高等教育出版社.1999.10.
2.赵晶。
电路设计与制版PROTEL99高级应用[M].人民邮电出版社.2001.7
3.倪泽峰、江中华。
电路板设计与制板-ProtelDXP典型实例[M].北京:
人民邮电出版社,2
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